JP6154629B2 - アークスポット溶接方法および溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、アークスポット溶接方法および溶接装置に係り、特に、板材を重ね合わせたワークを溶接するアークスポット溶接方法および溶接装置に関する。

従来、複数の板材を重ね合わせたワークを、例えば、消耗電極ワイヤを用い、シールドガスとしてアルゴンと炭酸ガスとを用いてアークスポット溶接する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。アークスポット溶接では、積層される上下の板材の間にギャップが大きい場合と、ギャップが小さい場合とでは、要求される入熱条件が異なっている。特許文献１に記載の方法では、大電流で上の板材の目標部位を溶かし、ギャップが大きい場合、下の板材に向かってボタッツ、ボタッツと落として上下の板材をつなぎ、その後、目標部位に形成された穴をワイヤ溶融金属で埋める方法なので、溶接の仕上がりは見栄えが悪くなってしまう。

特開昭６１−２７９３６０号公報

ワークの積層板間にギャップが存在しないならば、アーク放電による熱が、上の板材（上板）において目標部位から、接触している隣の板材（下板）に移り易く、熱伝達が良好であり、溶接品質も良好となる。一方、ワークの積層板間にギャップが存在すると、アーク放電による熱がギャップによって隣の板材に移りにくく、熱伝達がうまくいかなくなって溶接品質が悪化する。具体的には、ギャップが存在すると、例えば上板において目標部位から隣の板に逃げることのできない熱は、その目標部位から周辺部位へと拡散する。そのため、上板の周辺部位の温度が上昇し、熱により周辺部位が歪む熱歪が発生し、歪みが大きい場合、上板にクラックや割れが発生してしまう。

そこで、本発明では、前記した問題を解決し、ワークの積層板間のギャップに起因した溶接品質の悪化を防止するアークスポット溶接方法および溶接装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本願発明者らは、重ね合わせた板材からなるワークにおいて板材間にギャップが存在する場合のアークスポット溶接の仕上がりの良否について種々検討を行った。その結果、溶接前に、ワークのトーチに面した一面側の板材における溶接目標箇所をアーク放電の熱で加温しながら冷却ガスで目標箇所の周囲の温度上昇を抑制しておいた後で、各板材を溶接することで、良好な仕上がりが得られることを見出した。

そこで、本発明に係るアークスポット溶接方法は、少なくとも２枚以上の板材を重ね合わせたワークの、一面側からトーチによりアーク放電してアークスポット溶接するアークスポット溶接方法において、シールドガスの外周に前記ワークの過熱を抑制するための冷却ガスを噴射する冷却工程と、溶接工程の準備として事前に行う予備加熱工程であって前記冷却工程中に前記シールドガス放射内で予め定められた第１電流値の溶接電流によるアーク放電を行い、前記ワークの一面を有する板材を熱で撓ませることで、前記ワークにおいて隣り合う板材を溶接目標箇所において接触させて板材間のギャップを小さくする第１アーク放電工程と、前記溶接工程であって前記第１アーク放電工程後、前記シールドガス放射内で前記第１電流値よりも高い第２電流値の溶接電流によるアーク放電を行い溶融プールが前記各々の板材を貫通するまで前記各々の板材を溶融させる第２アーク放電工程と、を備えたことを特徴とする。

このようにすることで、第１アーク放電工程において、ワークの一面を有する板材における溶接目標箇所をアーク放電の熱で加温することで軟らかくさせて自重により下側の板材に近接または接触させることができる。その際に、シールドガスの外周に冷却ガスを噴射するので、ワークの一面を有する板材においてアーク放電の熱がシールドガスの外周側へ伝導することを抑制する。そのため、上板の過熱が緩和され、溶接目標箇所の周囲の温度上昇が抑制されて熱歪が低減するので、クラックや割れを防止できる。
ここで、冷却ガスをシールドガスの外周に噴射するとは、例えばトーチ側においてシールドガスが噴射される噴射口の外側でシールドガスによるシールド効果を損ねないような経路を通った冷却ガスをワークの一面に当てることをいう。また、ワークの一面において、例えばトーチ軸線から外側の部分でシールドガスによるシールド効果を妨げないような部分に冷却ガスを当てることをいう。
そして、本発明に係るアークスポット溶接方法は、上板における溶接目標箇所が下側の板材に近接または接触してギャップが実質的に解消された状態で、第２アーク放電工程にて貫通溶接を行うので、仕上がりが良好となる。

また、本発明に係るアークスポット溶接方法は、前記冷却工程中に、前記第１アーク放電工程および前記第２アーク放電工程を連続して行うことが好ましい。

このようにすることで、電流値の高い第２アーク放電工程においても、シールドガスの外周に冷却ガスを噴射するので、溶接目標箇所の周囲の温度上昇が抑制されて熱歪が低減するので、クラックや割れを防止できる。

また、本発明に係る溶接装置は、少なくとも２枚以上の板材を重ね合わせたワークの、一面側からトーチによりアーク放電してアークスポット溶接する溶接装置であって、非消耗電極を有する前記トーチと、シールドガスを噴射するシールドキャップと、前記トーチに電力を供給する電源と、前記シールドキャップの外周に設けられて前記ワークの過熱を抑制するための冷却ガスを噴射する冷却ガスノズルと、前記シールドキャップに前記シールドガスを供給すると共に前記冷却ガスを前記冷却ガスノズルに供給するガス供給装置と、前記電源および前記ガス供給装置を制御して、溶接前の予め定められた第１期間に、予め定められた第１電流値の溶接電流によるアーク放電を行い前記ワークにおいて隣り合う板材を溶接目標箇所において接触させ、前記第１期間に続いて溶接をする予め定められた第２期間に、前記第１電流値よりも高い第２電流値の溶接電流によるアーク放電を行い溶融プールが前記各々の板材を貫通するまで前記各々の板材を溶融させる溶接制御装置とを備え、前記溶接制御装置が、前記ガス供給装置を制御して少なくとも前記第１期間の最中には前記冷却ガスを噴射させることを特徴とする。

かかる構成によれば、溶接装置は、溶接前の予め定められた第１期間に、ワークの一面を有する板材における溶接目標箇所を、低い溶接電流によるアーク放電の熱で加温することで軟らかくさせて自重により下側の板材に近接または接触させることができる。その際に、シールドキャップの外周に設けられた冷却ガスノズルから、シールドガスの外周に冷却ガスを噴射させるので、ワークの一面を有する板材においてアーク放電の熱がシールドガスの外周側へ伝導することを抑制する。そのため、上板の過熱が緩和され、溶接目標箇所の周囲の温度上昇が抑制されて熱歪が低減するので、クラックや割れを防止できる。そして、溶接装置は、上板における溶接目標箇所が下側の板材に近接または接触してギャップが実質的に解消された状態で、第２期間に高い溶接電流によるアーク放電の熱でワークを貫通溶接できるので、仕上がりが良好となる。

また、本発明に係る溶接装置は、前記トーチが、プラズマ電極を取り囲んで動作ガスの流路を形成する拘束ノズルと、前記拘束ノズルを取り囲んで前記シールドガスの流路を形成する前記シールドキャップと、前記シールドキャップを取り囲んで前記冷却ガスの流路を形成する前記冷却ガスノズルと、を備えることが好ましい。

このようにすることで、シールドガスを環状のスリットからワークの一面に噴射することでプラズマアークをシールドすると共に、その外周において冷却ガスを環状のスリットからワークの一面に噴射することができる。これにより、ワークの一面において、溶接目標箇所の周囲の全周が冷却され、全周の熱歪が低減し、全周においてクラックや割れを防止できる。

本発明によれば、ワークにおいて重ね合わせた板材間のギャップに起因した溶接品質の悪化を防止し、アークスポット溶接の仕上がりを良好とすることができる。

本発明の実施形態に係る溶接装置の構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るアークスポット溶接方法の流れを示す模式図であって、（ａ）と（ｂ）は第１アーク放電工程、（ｃ）は第２アーク放電工程を示している。 図２の各工程に対応したアーク放電条件の時間変化の一例を示すグラフであって、（ａ）は溶接電流条件、（ｂ）はシールドガス条件、（ｃ）は冷却ガス条件を示している。 比較例の溶接装置の構成を示す模式図である。 溶接前の予備加熱時のワークを模式的に示す断面図であって、（ａ）は実施例、（ｂ）は比較例を示している。

図面を参照して本発明を実施するための形態（実施形態という）について詳細に説明する。
［１．溶接装置の概要］
ここでは、本発明の実施形態に係るアーク溶接方法（以下、本アークスポット溶接方法という）に用いる溶接装置の概要について図１を参照して説明する。図１に示す溶接装置１は、少なくとも２枚以上の板材２１，２２を重ね合わせたワークＷの上面２１ａ側（ワークＷの一面側）からトーチ２によりアーク放電してアークスポット溶接するものである。図１には、一例として２枚の板材２１，２２を重ね合わせたワークＷを示した。
この溶接装置１の主な特徴は、溶接制御装置４による制御方法（本アークスポット溶接方法）にある。また、そのためにトーチ２は例えば図１に示すような構造を有している。

トーチ２は、タングステン電極（プラズマ電極、非消耗電極）５の周りに、動作ガス３１を流すための第１ノズル（拘束ノズル）６と、シールドガス３２を流すための第２ノズル７（シールドキャップ）とが同心円状に囲んだ従来公知の構造を有すると共に、第２ノズル７の外周を囲むように第３ノズル（冷却ガスノズル）１０が設けられている。第２ノズル７と第３ノズル１０との間には冷却ガス３３を流す。この冷却ガス３３は、アーク放電の熱によりワークＷが過剰に熱せられることを抑制するためのガスである。なお、溶接装置１の構成の詳細については後記する。

［２．アークスポット溶接方法の概要］
本アークスポット溶接方法の概要について図２（ａ）〜図２（ｃ）を参照して説明する。なお、図２（ａ）〜図２（ｃ）の断面図において説明を分かり易くするために板材２１，２２のハッチングは省略した。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、本アークスポット溶接方法は、冷却ガス３３をシールドガス３２の外周に噴射する工程（冷却工程）を含んでいる。冷却ガス３３はリング状に噴射される。この冷却工程は、例えば溶接前に行う。ここで、冷却ガス３３以外にシールドガス３２が噴射されているのは、入熱が小さくなるような溶接電流によるアーク放電工程（これを第１アーク放電工程と呼ぶ）が行われているからである。

つまり、第１アーク放電工程は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、溶接工程（これを第２アーク放電工程という）よりも前に、冷却工程中にシールドガス３２放射内でアーク放電を行い、比較的低い電流値に対応して生成されるプラズマアークＰ_Aの熱でワークＷの上面２１ａ側を加温する工程である。この第１アーク放電工程は、ワークＷの上面２１ａを有する板材２１を熱で撓ませることで、ワークＷにおいて隣り合う板材２１，２２間のギャップを小さくする工程である。つまり、第１アーク放電工程は、溶接工程の準備として事前に行う予備加熱工程である。

第１アーク放電工程に続く第２アーク放電工程は、溶接工程であって、図２（ｃ）に示すように、シールドガス３２の放射内でアーク放電を行い、比較的高い電流により生成されるプラズマアークＰ_Bの熱で溶融プールがワークＷの各々の板材２１，２２を溶融させる工程（アーク放電工程）である。

［３．アーク溶接方法で用いるワーク］
ここでは、本アークスポット溶接方法で用いるワークの概要について図１を参照して説明する。図１に示すワークＷは、例えば、自動車等の車体に用いる薄板を少なくとも２枚以上重ねたものである。図１では、一例として２枚の板材２１，２２を重ね合わせた場合のワークＷの断面を図示した。

板材２１，２２は、例えば、材料、形状、厚み、大きさが同じであるものとする。板材２１，２２は、例えば鋼材をプレス成形したプレス材（金属板）である。ここで、鋼材は、例えば、普通鋼板、電気亜鉛めっき等の亜鉛めっき処理を表面に施した表面処理鋼板、高張力鋼（High Tensile Strength Steel）等で構成されている。

板材２１，２２間にはギャップ（隙間）Ｇがある。例えば車体用で板厚がおよそ１〜２ｍｍの２枚の薄板状のプレス材を積層してフランジで位置合わせした場合、板材２１，２２間に生じるギャップＧは例えば１ｍｍ以下となる。２枚の板材２１，２２は例えば車体の組み立てライン上で重ね合わせられて、例えば溶接ガン（トーチ２）からのアーク放電によりスポット溶接される。

［４．溶接装置の構成の詳細］
溶接装置１は、図１に示すように、主に、トーチ２と、溶接電源３と、溶接制御装置４とを備えている。また、図示を省略するが、溶接装置１は、動作ガスボンベ、シールドガスボンベ、冷却ガスボンベ、ガス流量調整器、遠隔制御器などを備えている。

トーチ２は、タングステン電極５の周りを、第１ノズル６、第２ノズル７、第３ノズル１０の順番で、一例として同心円状に囲んだ構造のものである。トーチ２は、電源９からタングステン電極５に電力が供給されて、タングステン電極５と水冷された第１ノズル６との間にパイロットアークを発生させ、このパイロットアークの熱により動作ガス３１をプラズマ化して噴出させ、ワークＷの板材２１との間にプラズマアークを発生させる。

タングステン電極５と第１ノズル６との間には、動作ガス３１を流す。動作ガス３１は、アーク放電により生成されるプラズマアークを生成するためのガスである。第１ノズル６は、水冷されており、プラズマ電極としてのタングステン電極５を取り囲んで動作ガス３１の流路を形成する。

動作ガス３１の流路は、円環状であるが、第１ノズル６のガス噴射端６ａにおいて、タングステン電極５の先端の下で一点に収束して例えば円形となる。つまり、第１ノズル６は、タングステン電極５からのプラズマアークを絞る拘束ノズルとして機能する。

第１ノズル６と第２ノズル７との間には、シールドガス３２を流す。シールドガス３２は、プラズマアークを周囲の雰囲気から遮蔽するためのガスである。シールドガス３２は、例えばＡｒやＡｒ＋ＣＯ₂の混合ガスである。第２ノズル７は、第１ノズル６を取り囲んでシールドガス３２の流路を形成する。

第２ノズル７は、ガス噴射端７ａに向かって縮径する方向に所定の角度で傾斜した構造を有する。図１の断面図では、第２ノズル７の先端は、トーチ軸線（タングステン電極５の中心線）に平行な軸線Ｌの方向から鋭角の角度θだけ傾斜している。つまり、第２ノズル７はガス噴射端７ａの側に先細りの構造を有している。言い換えると、シールドガス３２の流路は、円環状であるが、第２ノズル７のガス噴射端７ａにおいて、タングステン電極５の先端の下で円環の半径が小さくなっている。これにより、第２ノズル７は、シールドガスを環状のスリットからワークの上面２１ａに噴射する。したがって、タングステン電極５とワークＷとの間に形成されるプラズマアークをシールドガス３２で効果的にシールドすることができる。つまり、第２ノズル７は、シールドキャップとして機能する。

第２ノズル７と第３ノズル１０との間には冷却ガス３３を流す。冷却ガス３３は、前記したように、アーク放電の熱によりワークＷが過剰に熱せられることを抑制するためのガスである。この冷却ガス３３は、ワークＷの過熱を抑制できれば、その種類、温度、流量等は特に限定されない。冷却ガス３３はシールド効果を妨げなければ例えば大気（空気）を用いてもよい。

また、冷却ガス３３のガス種は、シールドガス３２のガス種と同一であってもよい。このようにすることで、冷却ガス３３の配管流路とシールドガス３２の配管流路とを区別しつつ、シールドガス３２のための設備の一部（例えばボンベ等）を冷却ガス３３のために転用することができる。また、ガスの温度、流量、噴射期間等の条件の少なくとも１つを同一にすることで溶接のための制御を単純化させることができる。

第３ノズル１０は、第２ノズル７を取り囲んで冷却ガス３３の流路を形成するものである。本実施形態では、第３ノズル１０は、図１に示すように、内筒部１１と、外筒部１２とを備えている。内筒部１１および外筒部１２は、それぞれ円筒状（円管状）に形成されており、第２ノズル７を同心円状に囲んでいる。内筒部１１の内周面の大部分は、第２ノズル７の外周面に嵌合して固着されている。ここで、内周面の一部は、第２ノズル７に接触していない。つまり、内筒部１１の端面１１ａと外筒部１２の端面１２ａとは、第２ノズル７のガス噴射端７ａよりもトーチ先端側（ワーク側）に位置しており、第１ノズル６のガス噴射端６ａと同程度の位置まで延出している。第３ノズル１０において、内筒部１１と外筒部１２との間の空間が冷却ガス３３の流路となっている。

要するに、第３ノズル１０は、図１に示すようにガス噴射端１０ａに向かって同径の構造を有する。言い換えると、冷却ガス３３の流路は、円環状であるが、第３ノズル１０のガス噴射端１０ａにおいて、タングステン電極５の先端の下でも円環の半径が変わっていない。これにより、第３ノズル１０は、環状のスリットから、ワークの上面２１ａに向けてトーチ軸線に略平行な方向で冷却ガス３３を噴射できる。したがって、ワークＷの上面２１ａにおいて、シールドガス３２が当たる外周に冷却ガス３３を当て易くなる。その結果、ワークの上面２１ａにおいて、溶接目標箇所の周囲の全周が冷却され、全周の熱歪が低減し、全周においてクラックや割れを防止できる。

溶接電源３は、アーク溶接のための電力をトーチ２に供給するものである。ここでは、溶接電源３は、図１に示すように、主として、ガス供給装置８と、電源９とを備えている。なお、図示を省略するが、溶接電源３は、電圧・電流検出器等を備えている。

ガス供給装置８は、図示しないガスボンベから動作ガス３１、シールドガス３２、冷却ガス３３をトーチ２に供給するものである。ガス供給装置８は、溶接制御装置４からの指令信号により、図示を省略した弁を開閉することで、所定圧力で流入する動作ガス３１の流量、シールドガス３２の流量、冷却ガス３３の流量をそれぞれ調節する。冷却ガス３３等の流量は予め適切な値に設定されている。なお、トーチ２までのガス流路の図示は省略した。
電源９は、トーチ２に電力を供給する。電源９の負極は、トーチ２のタングステン電極５に電気的に接続され、電源９の陽極は、板材２１に電気的に接続される。

溶接制御装置４は、溶接電源３を駆動することで、プラズマアーク溶接により、ワークＷとして積層された板材２１，２２を溶接する制御を行うものである。なお、溶接制御装置４は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、入出力インタフェース等を備えている。

[５．溶接制御装置の制御例]
ここでは、溶接制御装置４の制御例について図３（ａ）〜図３（ｃ）を参照（適宜図１および図２参照）して説明する。図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すグラフの横軸は時刻（時間）を示す。この例では、図示する時刻Ｔ１〜Ｔ７において、一例として時刻Ｔ３〜Ｔ５の期間を溶接前の第１期間（予備加熱期間）と呼び、時刻Ｔ５〜Ｔ６の期間を第２期間（溶接期間）と呼ぶことにする。ただし、タイミングを分かり易くするため時間の間隔を誇張していることがある。例えば予備加熱期間は、溶接期間の数倍程度である場合もある。
図３（ａ）の縦軸は溶接電流の大きさを示す。図３（ｂ）の縦軸は、シールドガスの供給（ＯＮ）／非供給（ＯＦＦ）を示す。図３（ｃ）の縦軸は、冷却ガスの供給（ＯＮ）／非供給（ＯＦＦ）を示す。

溶接制御装置４は、ガス供給装置８を制御し、ガス供給装置８は、指令信号に応じて、まず、時刻Ｔ１にて、第３ノズル１０から冷却ガス３３の供給を開始する。これにより、ワークＷの上面２１ａにおいて、溶接目標箇所を取り囲むようにリング状に冷却ガス３３が噴射される（図２（ａ）参照）。続いて、ガス供給装置８は、指令信号に応じて、時刻Ｔ２にて、第２ノズル７からシールドガス３２の供給を開始する。これにより、ワークＷの上面２１ａにおいて、溶接目標箇所に向けて冷却ガス３３によるガスリングの内側に噴射される（図２（ａ）参照）。これらのガス供給により、シールドガス３２の外周に冷却ガス３３が噴射されることになる。

溶接前の第１期間（予備加熱期間：Ｔ３〜Ｔ５）では、溶接制御装置４は、ガス供給装置８を制御しながら電源９を制御して時刻Ｔ３にて、予め定められた第１電流値Ｉ１の溶接電流（低電流）によるアーク放電を開始する（図３（ａ）参照）。ここで、第１電流値Ｉ１は、対象の板材２１が溶けない程度の電流値である。このアーク放電の工程は、第１アーク放電工程である。なお、時刻Ｔ５には溶接電流が切り替えられる。

時刻Ｔ３に近い状態を図２（ａ）に示すように、この時期では、板材２１における溶接目標箇所２０１をアーク放電（プラズマアークＰ_A）の熱で加温している。このとき、冷却ガス３３は、例えば、符号２０２，２０３で示す環状の部位を板材２１の冷却目標部位として噴射されている。符号２０２，２０３で示す部位は平面視で環状につながっている。よって、冷却ガス３３はガスリングとなっている。シールドガス３２は、プラズマアークＰ_Aを外気からシールドしつつ、冷却ガス３３によるガスリングの内側に主に広がっており、板材２１の上面２１ａにおいて符号２０２，２０３で示す環状の部位を主たる外縁とした広がりをもっている。

時刻Ｔ５に近い状態を図２（ｂ）に示すように、この時期では、板材２１における溶接目標箇所が、溶融するまでに至らずに軟らかくなってその自重により板材２２に接触する。なお、予備加熱においては、板材２１と板材２２とが接触していなくても、後段にて仕上がりの溶接品質が良好であると許容されるような範囲で、板材２１における溶接目標箇所が板材２２に近接していれば、溶接目標箇所においては板材間のギャップが実質的に解消されたことになる。また、溶接目標箇所においては板材２１と板材２２とが接触していてもその周囲には、図２（ｂ）に示すように小さくなったギャップが残っている。この状態は、板材間のギャップが実質的に解消された状態であり、板材間のギャップが小さくなった状態である。このようにして溶接目標箇所においてギャップを解消した部位２０４が生じる。

なお、第１期間（Ｔ３〜Ｔ５）では、溶接制御装置４は、シールドガス３２を噴射させ続けている（ＯＮ：図３（ｂ）参照）が、この例では、溶接電流を切り替える直前の時刻Ｔ４にて、冷却ガス３３の供給を停止させている（ＯＦＦ：図３（ｃ）参照）。

第２期間（Ｔ５〜Ｔ６）では、溶接制御装置４は、ガス供給装置８を制御しながら、電源９を制御して時刻Ｔ５にて第１電流値Ｉ１よりも高い第２電流値Ｉ２の溶接電流（高電流）によるアーク放電を開始する（図３（ａ）参照）。ここで、第２電流値Ｉ２は、対象のワークの溶接に必要な電流値であって、対象の板材２１，２２が溶ける電流値である。このアーク放電の工程は、第２アーク放電工程である。このとき、図２（ｃ）に示すように、板材２１における溶接目標箇所が板材２２に接触してギャップが解消された部位２０４において板材２１，２２をアーク放電（プラズマアークＰ_B）によって溶融させる。やがて溶融プールは貫通溶接部４０となる。貫通溶接部４０は、従来のボルト・ナットやネジの締結手段の役割を果たすことができる。なお、図２（ｃ）には、溶融プールがワークＷの他面に達してワークＷの他面に下の孔が形成されるまで貫通溶接を続けた状態を示しているが、この限りではない。

時刻Ｔ６にて溶接が完了すると、溶接制御装置４は、電源９を制御してプラズマアークを消弧させ、続いて、時刻Ｔ７にて、ガス供給装置８を制御してシールドガス３２の供給を停止させる（ＯＦＦ：図３（ｂ）参照）。

[６．本アークスポット溶接方法の効果の具体例]
ここでは、本発明の実施形態に係る溶接装置１を用いたアークスポット溶接方法と、図４に示す溶接装置１０１を用いたアークスポット溶接方法とを比較しながら本発明の効果について説明する。比較例の溶接装置１０１の模式図を図４に示す。図１に示す構成と同様の構成には１００番台の同様の符号を付し、説明を適宜省略する。

比較例の溶接装置１０１は、図４に示すように、トーチ１０２と、溶接電源１０３と、溶接制御装置１０４とを主に備えている。
トーチ１０２は、タングステン電極１０５の周りを、第１ノズル１０６、第２ノズル１０７の順番で同心円状に囲んだ構造のものである。タングステン電極１０５と第１ノズル１０６との間には動作ガス３１を流し、第１ノズル１０６と第２ノズル１０７との間には、シールドガス３２を流す。つまり、図１に示す第３ノズル１０を備えていない点がトーチ２と相違する。

溶接電源１０３は、ガス供給装置１０８と、電源１０９とを主に備えている。
ガス供給装置１０８は、図示しないガスボンベから動作ガス３１やシールドガス３２をトーチ１０２に供給する。つまり、図１に示す冷却ガス３３を供給しない点がガス供給装置８と相違する。電源１０９は、トーチ１０２に電力を供給する。電源１０９の負極は、トーチ１０２のタングステン電極１０５に電気的に接続され、電源１０９の陽極は、板材２１に電気的に接続される。

溶接制御装置１０４は、溶接電源１０３（ガス供給装置１０８および電源１０９）を駆動することで、プラズマアーク溶接により、積層された板材２１，２２を溶接する制御を行う。この溶接制御装置１０４は、溶接時よりも低い電流の予備加熱を行ってから貫通溶接を行う制御を行う。つまり、図３（ｃ）に示す冷却ガス３３の制御を行わない点が溶接制御装置４と相違する。

図５は、溶接前の予備加熱時のワークを模式的に示す断面図であって、（ａ）は溶接装置１による動作例（実施例）、（ｂ）は溶接装置１０１による動作例（比較例）を示している。なお、図５（ａ），図５（ｂ）の断面図において説明を分かり易くするために板材２１，２２のハッチングは省略した。
図５（ａ）の断面図は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示す符号を用いて、図２（ｂ）と同じワーク形状に変形した様子を模式的に示している。
図５（ｂ）の断面図は、図５（ａ）に示す断面図と同様なタイミングにおいて変形したワーク形状を模式的に示している。

図５（ｂ）に示す比較例では、ワークＷの領域５０１において、板材２１の溶接目標箇所がアーク放電（プラズマアークＰ_A）の熱で加温されて、溶融するまでに至らずに軟らかくなってその自重により板材２２に接触している。この点は、図５（ａ）に示す実施例と同様である。

しかしながら、図５（ｂ）に示す比較例では、溶接目標箇所の周囲では、図５（ｂ）に示すようにギャップが大きくなっている点が相違する。すなわち、ワークＷの領域５０２において、板材２１に大きな熱歪が発生して左端部が大きくせり上がり、同様に領域５０３において、板材２１の右端部が大きくせり上がっている。ここで、ワークＷの領域５０２，５０３は、平面視では環状につながっている。そのため、比較例の溶接方法では、ワークＷの板材２１は、板状（平面状）からある曲率半径を有した球面状（凹面状）に変化する歪に耐え切れなくなってクラック（亀裂）や割れといった破損箇所５０４が発生する。

比較例において破損が生じる原因は、第１アーク放電工程の初期状態では、図２（ａ）に示すように板材２１の溶接目標箇所２０１にはギャップＧがあり、その溶接目標箇所を軟らかくするための熱が、ギャップＧのために板材２２側に逃げることができず、なんら対策がなされていないからである。そして、この溶接目標箇所の熱は、板材２１において溶接目標箇所から周辺部位側（図５（ｂ）の領域５０２，５０３側）へと拡散することになる。したがって、板材２１の周辺部位の温度が上昇し、熱膨張や収縮の過程で生じる残留応力等により周辺部位の反りの現象として熱歪が発生し、歪みが大きい場合、破損箇所５０４が発生するのである。

一方、図５（ａ）に示す実施例では、この第１アーク放電工程の最中に、符号２０２，２０３で示す環状の部位を板材２１の冷却目標部位として冷却ガス３３が噴射されており、板材２１の上面２１ａにてガスリングとなっている。したがって、溶接目標箇所の熱が、板材２１において溶接目標箇所からリング状に周辺部位側（図５（ｂ）の領域５０２，５０３側）へと拡散したとしても、冷却ガス３３のガスリングにより周辺部位の過剰な温度上昇を抑制し、周辺部位における熱歪を緩和させることができる。そのため、クラックや割れを防止できる。

以上説明したように、本発明の実施形態に係るアークスポット溶接方法および溶接装置によれば、板材が積層されたワークの積層板間にギャップがある場合、貫通溶接を行う前に予備加熱を行うことでギャップを実質的に解消することができる。加えて、溶接前の予備加熱において、シールドガスの外周に冷却ガスを噴射するので、溶接目標箇所の周辺部位の熱歪を緩和させ、クラックや割れを防止できる。その結果、溶接品質を良好なものとすることができる。

以上、本発明のアークスポット溶接方法および溶接装置の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではない。例えば、溶接制御装置４は、溶接電流を切り替える直前の時刻Ｔ４にて、冷却ガス３３の供給を停止することとしたが、本発明はこれに限らず、冷却ガス３３の供給を時刻Ｔ４にて停止せずに時刻Ｔ５以降に供給してもよい。言い換えると、冷却工程中に、第１アーク放電工程および第２アーク放電工程を連続して行うこととしてもよい。このようにすることで、電流値の高い第２アーク放電工程においても、シールドガス３２の外周に冷却ガス３３を噴射することになるので、溶接目標箇所の周囲の温度上昇が抑制されて溶接工程中の熱歪が低減するので、第２アーク放電工程においてもクラックや割れを防止できる。

前記した実施形態では、図３を参照して説明したように、冷却ガス３３を噴射した後でシールドガス３２を噴射するものとしたが、噴射する順序を入れ替えてもよいし、同時でもよい。また、ガスを供給する際にガス流量を時間変化させるようにしてもよい。さらに、第１期間（予備加熱期間）か第２期間（溶接期間）かによって、溶接電流値を２段階に設定したが、各期間の中で電流値を時間変化させるようにしてもよい。

前記した実施形態では、ワークＷとして積層された２枚の板材２１，２２が、材料、形状、厚み、大きさが同じであるものとしたが、これに限らず、例えば厚みが異なっていても同様な効果を奏する。また、３枚以上の板材を重ねた場合も同様な効果を奏する。

前記した実施形態では、トーチ２において、第３ノズル１０は、ガス噴射端１０ａに向かって同径の構造を有するものとしたが、これに限らず、例えば、ガス噴射端１０ａに向かって縮径する方向に傾斜した構造であっても、第２ノズル７の傾斜角θ以下の角度であれば、同径の構造の場合と同様な効果を奏する。また、このように傾斜させることで、ワークＷの上面２１ａにおいて、例えば歪み易い特定の部位を狙って冷却ガスを噴射させることができる。さらに、第３ノズル１０は、ガス噴射端１０ａに向かって拡径する方向に傾斜した構造であっても同様な効果を奏する。

トーチ２において、第３ノズル１０は、内筒部１１と外筒部１２とを備えるものとしたが、内筒部１１を省略した簡易構造としてもよい。また、例えば、冷却ガス３３の流量をシールドガス３２の流量よりも少なくしてもよいし、多くしてもよい。

冷却ガス３３を噴射するノズル（冷却ガスノズル）は、第３ノズル１０のようにトーチ２を構成するものに限らず、第２ノズル７の外周に管状の複数箇所に冷却ガスノズルを配設してもよい。その場合、第２ノズル７の外周において例えば９０度おきの４箇所に冷却ガスノズルをそれぞれ配設すれば冷却ガス３３によるガスリングを形成できる。

シールドガス３２を噴射するノズル（シールドキャップ）の軸線と、タングステン電極５（非消耗電極）の軸線とが一致していなくてもよく、シールドキャップは、第２ノズル７のようにトーチ２を構成するものに限らない。このような場合、冷却ガスノズルは、シールドキャップの配置に対応させてシールドガス３２の外周に冷却ガス３３を噴射できる位置に設ければよい。

トーチ２を例えば溶接ロボットの先端側のアームに取り付けることで、ステージに固定されたワークＷのスポット溶接を行う箇所へトーチ２が自動で移動できるように構成してもよい。逆に、移動可能に構成されたステージ上にワークＷを固定し、トーチ２を固定して、ステージを自動で移動させてスポット溶接するようにしてもよい。

１ 溶接装置
２ トーチ
３ 溶接電源
４ 溶接制御装置
５ タングステン電極（プラズマ電極、非消耗電極）
６ 第１ノズル（拘束ノズル）
７ 第２ノズル（シールドキャップ）
８ ガス供給装置
９ 電源
１０ 第３ノズル（冷却ガスノズル）
１１ 内筒部
１２ 外筒部
２１，２２ 板材
３１ 動作ガス
３２ シールドガス
３３ 冷却ガス
４０ 貫通溶接部
Ｇ ギャップ
Ｗ ワーク

Claims (4)

1. 少なくとも２枚以上の板材を重ね合わせたワークの、一面側からトーチによりアーク放電してアークスポット溶接するアークスポット溶接方法において、
   シールドガスの外周に前記ワークの過熱を抑制するための冷却ガスを噴射する冷却工程と、
   溶接工程の準備として事前に行う予備加熱工程であって前記冷却工程中に前記シールドガス放射内で予め定められた第１電流値の溶接電流によるアーク放電を行い、前記ワークの一面を有する板材を熱で撓ませることで、前記ワークにおいて隣り合う板材を溶接目標箇所において接触させて板材間のギャップを小さくする第１アーク放電工程と、
   前記溶接工程であって前記第１アーク放電工程後、前記シールドガス放射内で前記第１電流値よりも高い第２電流値の溶接電流によるアーク放電を行い溶融プールが前記各々の板材を貫通するまで前記各々の板材を溶融させる第２アーク放電工程と、
   を備えたことを特徴とするアークスポット溶接方法。
2. 前記冷却工程中に、前記第１アーク放電工程および前記第２アーク放電工程を連続して行うことを特徴とする請求項１に記載のアークスポット溶接方法。
3. 少なくとも２枚以上の板材を重ね合わせたワークの、一面側からトーチによりアーク放電してアークスポット溶接する溶接装置であって、
   非消耗電極を有する前記トーチと、
   シールドガスを噴射するシールドキャップと、
   前記トーチに電力を供給する電源と、
   前記シールドキャップの外周に設けられて前記ワークの過熱を抑制するための冷却ガスを噴射する冷却ガスノズルと、
   前記シールドキャップに前記シールドガスを供給すると共に前記冷却ガスを前記冷却ガスノズルに供給するガス供給装置と、
   前記電源および前記ガス供給装置を制御して、溶接前の予め定められた第１期間に、予め定められた第１電流値の溶接電流によるアーク放電を行い前記ワークにおいて隣り合う板材を溶接目標箇所において接触させ、前記第１期間に続いて溶接をする予め定められた第２期間に、前記第１電流値よりも高い第２電流値の溶接電流によるアーク放電を行い溶融プールが前記各々の板材を貫通するまで前記各々の板材を溶融させる溶接制御装置とを備え、
   前記溶接制御装置は、前記ガス供給装置を制御して少なくとも前記第１期間の最中には前記冷却ガスを噴射させることを特徴とする溶接装置。
4. 前記トーチは、
   プラズマ電極を取り囲んで動作ガスの流路を形成する拘束ノズルと、
   前記拘束ノズルを取り囲んで前記シールドガスの流路を形成する前記シールドキャップと、
   前記シールドキャップを取り囲んで前記冷却ガスの流路を形成する前記冷却ガスノズルと、を備えることを特徴とする請求項３に記載の溶接装置。

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